ESTUDIO DEL IMPACTO TÉCNICO DE MEZCLAS DE CONCRETO HIDRÁULICO POR LA SUSTITUCIÓN PARCIAL DE CEMENTO POR ZEOLITA

ESTUDIO DEL IMPACTO TÉCNICO DE MEZCLAS DE CONCRETO

HIDRÁULICO POR LA SUSTITUCIÓN PARCIAL DE CEMENTO POR

ZEOLITA

TECHNICAL STUDY OF IMPACT OF HYDRAULIC CONCRETE MIXER

FOR THE REPLACEMENT PART OF CEMENT BY ZEOLITE

Miranda I., García J. F., Borbón A. C., Ramírez M., Burgos D., Castro S.

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora

Resumen

La industria de la construcción cada vez más consciente de la necesidad de ejecutar obras con materiales que se obtengan y/o utilicen procesos industriales que minimicen la contaminación y, que contribuyan en el comportamiento de un producto como lo es el concreto hidráulico en la construcción, ha estado buscando alternativas de materiales que sustituyan total o parcialmente al cemento por otro cementante que contamine menos en su procesos de obtención y que conserve las propiedades o las mejore. Una alternativa para sustitución parcial del cemento es la zeolita, es un mineral que se obtiene por proceso de excavación y molienda de puzolana. La norma ASTM-618, define a las puzolanas como materiales silíceo o aluminio-silíceo que por sí solo poseen poco a ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y en presencia de agua e hidróxido de calcio (Cal) reaccionan químicamente a temperatura ambiente para formar cementantes (Miranda, 2008). Recientemente se ha estudiado el efecto de adicionar mineral Cal-Zeolita para la elaboración del concreto, cuyos resultados son favorables al comportamiento mecánico y su durabilidad (Dopico J.J., et al. 2009). Para la elaboración de morteros para recubrimientos al incorporar arenas zeolíticas como sustituto de la arena tradicional (Tiburcio et al. 2008). El presente proyecto evaluó el comportamiento del concreto hidráulico en estado fresco y endurecido al sustituir de manera parcial cemento por zeolita. Se enfocó a la evaluación del comportamiento mecánico como al diseño de la mezcla de concreto hidráulico fabricado con cemento normal y con cemento-zeolita. Tomando en cuenta los resultados obtenidos, la zeolita incorporada en porcentajes entre el 5% y 10 % tiende a valores de resistencias muy cercanos al concreto normal, los modelos obtenidos así lo corroboran, por lo que se puede concluir la factibilidad de sustitución parcial de cemento por zeolita tomando en cuenta el comportamiento mecánico.

Palabras claves:

The industry of construction, aware of the need to complete works with materials that are obtained from industrial processes that minimize pollution and contribute to the performance of a product such as the hydraulic concrete in construction. This industry has been looking for alternative materials to replace cement by other least contaminating cementitious obtaining processes, but with the same or better properties. An alternative to partially replace cement is zeolite. A mineral obtained by excavating and crushing pozzolan. The ASTM-C618 standard defines pozzolan as silicon or aluminum-silicon materials which don’t have cementitious value, but when it is finely divided or in te presence of water and calcium hydroxide (lime) chemically reacts on temperature environment to form cementitious (Miranda, 2008). Recently we have studied the effect of adding mechanical behavior of concrete in fresh and hardened when cement is partially by zeolite. Evaluation assessment was focuses on mechanical behavior and design of the hydraulic concrete mix made with ordinary cement and cement- zeolite. Taking into account the results obtained with zeolite between 5% and 10% tends to values very close to normal concrete resistance. The models obtained showed the feasibility of use zeolite instead of cement, according to its mechanical behavior.

Keywords:

Contenido

Introducción

La incorporación de nuevos materiales en la construcción es hoy en día una tarea que se enfoca al manejo sustentable de la construcción, sobre todo en la vivienda, al procurar que éstas estén construidas con materiales sustentables. A nivel nacional instituciones como infonavit han impulsado el eco-tecnología a través de programas como “Hipoteca verde”, enfocadas al ahorro de energía. (1).

La industria de la construcción cada vez más consciente de la necesidad de ejecutar obras con materiales que se obtengan y/o utilicen procesos industriales que minimicen la contaminación y, que contribuyan en el comportamiento de un producto como lo es el concreto hidráulico en la construcción, ha estado buscando alternativas de materiales que sustituyan total o parcialmente al cemento por otro cementante que contamine menos en su procesos de obtención y que conserve las propiedades o las mejore. Una alternativa para sustitución parcial del cemento es la zeolita, es un mineral que se obtiene por proceso de excavación y molienda de puzolana. Hoy en día su mayor uso es en el campo de la agricultura y ganadería principalmente.

El código ASTM-618 (American Society for testing and materials), define a las puzolanas como materiales silíceo o aluminio-silíceo que por sí solo poseen poco a ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y en presencia de agua e hidróxido de calcio (Cal) reaccionan químicamente a temperatura ambiente para formar cementantes (2).

en gran medida, agrícola y ganadero. Investigadores han realizado estudios con la finalidad de integrar proyectos que permitan además usos alternativos, como su incorporación en material de construcción como agregado fino (Arena) para mejorar el comportamiento térmico de morteros (1), en la estabilización de suelos para mejorar su comportamiento mecánico (2).

Existen organizaciones como la “Red Iberoamericana XIII-C, de Rocas y Minerales Industriales en Iberoamérica” con sede en Madrid, España y que han estudiado las zeolitas para absorción de metales, aditivo en morteros y concretos (3).

Recientemente se ha estudiado el efecto de adicionar mineral Cal-Zeolita para la elaboración del concreto, cuyos resultados son favorables al comportamiento mecánico y su durabilidad (4). Para la elaboración de morteros para recubrimientos al incorporar arenas zeolíticas como sustituto de la arena tradicional (5).

En el presente proyecto se tiene interés por la sustitución parcial de cemento buscando la sustentabilidad de los materiales de construcción al reducir su uso ya que producirlo contamina el ambiente. Por lo que se pretende incorporar zeolita finamente molida al concreto hidráulico para estudiar sus principales propiedades en estado fresco y en estado endurecido (mecánica).

Objetivo General del proyecto

Estudiar el comportamiento del concreto hidráulico en estado fresco y endurecido al sustituir parcialmente cemento por zeolita.

Objetivos específicos del proyecto

 Caracterización y estandarización de los agregados, grava y arena, para su uso en la elaboración del concreto hidráulico.

 Caracterizar la zeolita para determinar su tipo mediante difracción de rayos X (DRX).

 Evaluar la mezcla de concreto hidráulico en estado fresco en su consistencia y masa volumétrica.

 Evaluar la mezcla de concreto hidráulico endurecida en su resistencia a carga axial

 Determinar la combinación cemento-zeolita con mejor comportamiento en los dos estados del concreto hidráulico.

Metodologías

Preparación de materiales y pruebas

Las pruebas de laboratorio con el fin de la caracterización del material bajo los siguientes requisitos:

 Las mediciones se realizarán con equipos calibrados oficialmente, con trazabilidad de patrones nacionales o internacionales.

 Se ejecutarán las pruebas para la resistencia a compresión a 28 días, en estado fresco se determinó la demanda de agua, revenimiento, temperatura y peso volumétrico.

Caracterización

Primeramente se estudiaron los agregados, grava y arenas, para la obtención de las propiedades de: Distribución granulométrica, gravedad específica (densidad), masa unitaria, absorción, humedad natural, resistencia a la abrasión y contenido de finos (< 0.075 mm). Las normas

La caracterización de la zeolita se realizará por Difracción de rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido, con el objetivo de identificar la especie. La técnica de Difracción se realizó en el laboratorio de Geología de la Universidad de Sonora, unidad centro Hermosillo. Las muestras de zeolita se prepararon previamente con el propósito de homogeneizarlas. Esta preparación consiste en la pulverización de las muestras hasta obtener un tamaño de partícula de -350 mallas. Posteriormente, los polvos serán colocados sobre porta muestras para su análisis en un Difractómetro de Rayos X (Philips 3040). Las observaciones de microscopía electrónica se realizarán tomando una muestra pequeña del material (zeolita), fijándola en el porta-muestra. El objetivo es analizar la morfología de la(s) zeolitas. Con éstas técnicas determinaremos el tipo de zeolita predominante.

Tabla 1. Resumen de las proporciones de los diseños para concreto normal y concreto con sustitución parcial de cemento por zeolita para distintos porcentajes.

MATERIAL CONCRETO

NORMAL

CONCRETO CON ZEOLITA Cantidades en kg para 1 M3 de concreto para

Un relación agua/cemento = 0.85

Agua/Cemento igual a _0.85 Zeolita Zeolita Zeolita Zeolita Zeolita

al 5% al 10% al 15% al 20% al 25%

Cemento kg 12 11.91 10.8 10.2 9.6 9

Zeolita, kg 0.6 1.2 1.8 2.4 3

Grava, kg 42.5 42.5 42.5 42.5 42.5 42.5

Arena, kg 42.68 42.68 42.68 42.68 42.68 42.68

Agua, litros 10.25 10.25 10.25 10.25 10.25 10.25

Adicional 0.6 0.777 0.868 1.1 1.3

Mezclas y proporciones

 En estado fresco: La consistencia (norma: NMX-C-156-1997-ONNCCE), masa unitaria (norma: NMX-C-162-ONNCCE).

 En estado endurecido: La resistencia a compresión axial (norma: NMX-C-083-ONNCCE-2002)

Para el análisis se definieron como variables independientes al contenido de zeolita en la mezcla y el tipo de zeolita (se mantendrá constante) y como dependientes a la resistencia a compresión del concreto hidráulico, la consistencia y la masa unitaria.

En cada prueba se registra la siguiente información:

 Se determinará la masa unitaria, la consistencia y adicionalmente la temperatura.

 Ensayo a compresión de los especímenes cilíndricos a la edad de 28 días, mediante los procedimientos establecidos en la norma NMX-C-083-ONNCCE-2002.

Diseño de las mezclas

El diseño se realizó para un concreto normal de resistencia 200 kg/cm2. Al diseño obtenido se les sustituyo cemento por zeolita en peso para los porcentajes de 5%, 10%, 15%, 20% y 25%, como se observa en la Tabla 1.

RESULTADOS

Caracterización de los agregados

Los agregados cumplieron con la granulometría solicitada por la norma al obtener los gráficos respectivos dentro de los límites establecidos. Ver Tabla 2.

Tabla 2. Resumen de la caracterización de los agregados.

AGREGADO DENSIDAD MVSS MVSC Absorción Humedad natural %

M. F. kg/m3 kg/m3 kg/m3 %

Grava natural 2.61 1491 1584 1.52 0.5

Arena natural 2.56 1512 1619 2.04 1 2.95

MVSS = Masa Volumétrica Seca Suelta MVSC = Masa Volumétrica Seca Compacta M.F. = Módulo de finura (Exclusivo para la arena)

Resultados de la difracción de rayos X

Los resultados de la difracción de rayos X muestran que el tipo de zeolita corresponde a la Clinoptilolite una especie de las nueve principales tipos que se tienen en México. Los gráficos obtenidos del DRX señalan que ambas muestras sobrepasan el 92 % de éste mineral en las muestras.

análisis se tomaron dos muestras para su análisis en un equipo XRD-RAW, Diffrac Plus V1.01, propiedad de la Universidad de Sonora.

ZEOLITA 1

00-025-1349 (D) - Clinoptilolite - (Na,K,Ca)6(Si,Al)36O72·20H2O - Y: 100.42 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 17.62700 - b 17.95500 - c 7.39900 - alpha 90.000 - beta 116.000 - gamma 90.000 - Base-centered Operations: Import

ZEOLITA 1 - File: ZEOLITA 1.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.000 ° - End: 40.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1.2 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 28 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.

Li n (C ounts) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290

2-Theta - Scale

8 10 20 30 40

Figura 1. Diagrama de fases obtenido del DRX

ZEOLITA 2

00-025-1349 (D) - Clinoptilolite - (Na,K,Ca)6(Si,Al)36O72·20H2O - Y: 92.99 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Monoclinic - a 17.62700 - b 17.95500 - c 7.39900 - alpha 90.000 - beta 116.000 - gamma 90.000 - Base-centered - Operations: Import

ZEOLITA 2 - File: ZEOLITA 2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 8.000 ° - End: 40.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1.2 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 8.000 ° - Theta: 4.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.

Li n (C ounts) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290

2-Theta - Scale

8 10 20 30 40

Las mezclas se desarrollaron obteniéndose los siguientes resultados de los concretos en estado fresco. Ver Tabla 3.

De la tabla se determina que la zeolita influye en las propiedades de masa unitaria al ir disminuyendo sensiblemente al incrementarse el porcentaje de zeolita. La consistencia (medida a través del revenimiento) para mantenerla se incrementó la demanda de agua.

Tabla 3. Resultados de las propiedades del concreto en estado fresco

PARÁMETRO

CONCRETO CON ZEOLITA Cantidades en kg para 1 M3 de concreto para

una relación agua/cemento =0.85

Zeolita 5%

Zeolita 10%

Zeolita 15%

Zeolita 20%

Zeolita 25%

Revenimiento en cm 10.5 10.3 9.3 12.4 10.5

Temperatura en oC 26.6 26.6 27 24.5 24.4

Masa Unitaria kg/m3 2274.5 2264 2262 2251 2250

Demanda de agua adicional en litros 0.6 0.777 0.868 1.1 1.3

Contenido de aire en % 1.7 1.9 1.9 1.9 1.8

Resultados en estado endurecido

La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos del ensaye a compresión del concreto para las diferentes combinaciones de cemento-zeolita en porcentaje.

De los valores observados podemos establecer que el contenido de zeolita si afecta la resistencia del concreto; a edad temprana se observa un marcada disminución de la resistencia para todas las combinaciones, sin embargo, a los 28 días se observan valores muy cercanos con la mezcla testigo para las combinaciones M-5%, M-10% y M-15%, en éste orden fue el grado de acercamiento de mayor a menor, como se observa en la Figura 1.

La Figura 1, además de mostrar el comportamiento mecánico, se presenta el modelo de ecuación lineal que describe el comportamiento del concreto para el tipo de concreto, zeolita y agregados en particular.

Tabla 4. Resumen de resistencia a compresión.

MEZCLA

CARGA EN kg ESFUERZO EN

kg/cm2 7

DÍAS

14 DIAS

28 DIAS

7 DÍAS

14 DIAS

28 DIAS

M-NORMAL 19984 25486 28368 113 144 161

M-5%Zeolita 16960 19964 29560 96 113 167 M-10%Zeolita 16720 21492 28240 95 122 160 M-15%Zeolita 13840 19340 27460 78 109 155 M-20%Zeolita 11744 16316 23616 66 92 134

M-25%Zeolita 9556 17452 20696 54 99 117

Figura 1. Mezclas de concreto para diferentes porcentajes de sustitución de zeolita por cemento.

Conclusiones

C para los contenidos de zeolita del 5%, 10% y 15% y baja aproximadamente 3 grados para 20% y 25%.

La resistencia a los 28 días tiene una variación máxima de 7 kg/cm2 comparando de manera consecutiva para 0%, 5%, 10%y 15% de zeolita sustituida y una diferencia máxima de 17 kg/cm2 entre el menor y mayor valor para esos porcentajes.

Finalmente podemos concluir que es factible el uso de zeolita (tipo Clinoptilolite) en un rango del 5 al 15% como máximo como sustituto del cemento, impactando en una disminución de la resistencia del 10.6% en promedio para ese rango de sustitución y, aumentando el consumo de agua en un 7.2% en promedio, con un valor mínimo del 5.8% y un máximo del 8.2%.

Referencias

1 Arvizu A. J., y Córdova B. J.F., “Estudio de la conductividad térmica de un concreto con agregados de puzolana”. Tesis de licenciatura en Ingeniero Civil, UNISON. Tesis de licenciatura ingeniero civil en la Universidad de Sonora, 2011. 63, 1-2.

2 Miranda P. I. “Physicochemical stabilization of soil, a lab methodology for its evaluation, case Cd. Hermosillo, Sonora, México”. EPSILON No. 12, 2009, 91-104.

3 Calvo, B. “Proyecto de investigación para la caracterización, aplicación y normalización de las zeolitas naturales de algunos países de Iberoamérica”. Escuela Superior de Ingenieros de Minas. Universidad Politécnica de Madrid, 2008.

4 Dopico Montes de Oca J.J., Martirena Hernández J., López Rodríguez A. y González López R. “Efecto de la adición mineral cal- zeolita sobre la resistencia a la compresión y la durabilidad de un hormigón”. Universidad Central Marta Abreu de las Villas. Cuba. Revista de Ingeniería de Construcción Vol. 24, 2009, 181-194.

5 Tiburcio, M. G.C. Sánchez, A. M. Aguayo, S. S. y Burgos, F. D. “Morteros para revestimiento de muros, utilizando arena zeolìtica”. Revista EPSILON No. 10., 2008, 57-66.

6 Abbas L. y El Alem N. “Charactizaction and study of mixing cement with different types of sand”. Journal of Physique, Vol 123, 2005, 197-201.

7 American Concrete Institute. “Control of cracking in concrete structures”. ACI-224R-01. USA, 2001. Capítulo 3. 8p.

8 American Society for Testing and Materials. “Standard specification for concrete aggregates”. 1990. ASTM-C-33-90. USA. 7p.

9 American Society for Testing and Materials. “Standard practice for use of apparatus for the determination of length change of hardened cement paste, mortar and concrete”. 1990. ASTM-C-490-89. USA. 4p.

10 Beker Iker y Ugurlu Ali. “Effect of the use of mineral filler on the properties of concrete. Review on line”. Cement and concrete research.33. 2003, (7) 1071-1075p.

12 Costafreda M. J., Calvo P. B. y Magalhaes B. C. “Eficiencia de la zeolita de Cabo de Gata, Almería, en la elaboración de morteros con áridos reciclados (RCD)”, 2008.

13 Gutiérrez, H. y De la Vara , R. “Análisis y diseño de experimentos”. 1ra ed. México, D.F. Editorial McGraw Hill. 2007, 850p.

14 Juárez, B.E.y Rico R. A. “Mecánica de Suelos I”. 3ª ed. México D.F. 2003, Editorial LIMUSA, 242 p. 15 Neville M.A. y Bropks J.J. “Tecnología del concreto”. Editorial Trillas, Primera edición 1998,

reimpreso 2010.

Correspondencia

Dr. Israel Miranda Pasos

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. México., Teléfonos y fax: (662) 259-21-83, (662) 259-21-84, e-mail: [email protected]

M.I. Jesús Fernando García Arvizu

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. México. Teléfonos y fax: (662) 259-21-83, (662) 259-21-84, e-mail: [email protected]

Dra. Ana Cecilia Borbón Almada

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. México. Teléfonos y fax: (662) 259-21-83, (662) 259-21-84, e-mail: [email protected]

M. I. Manuel Ramón Ramírez Celaya

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. México. Teléfonos y fax: (662) 259-21-83, (662) 259-21-84, e-mail: [email protected]

Dr. Dagoberto Burgos Flores

Departamento de Ingeniería Civil y Minas, Universidad de Sonora, Hermosillo, Sonora. México. Teléfonos y fax: (662) 259-21-83, (662) 259-21-84, e-mail: [email protected]

Ing. Samuel Castro Brockman